柴油發動機活塞熔頂開裂失效分析

張帥，李曉榮，蘇輝，王萌，李承謙

(保定長城內燃機制造有限公司，河北保定 072650)

柴油發動機活塞熔頂開裂失效分析

張帥，李曉榮，蘇輝，王萌，李承謙

(保定長城內燃機制造有限公司，河北保定 072650)

某機型活塞在特定地域市場上出現活塞熔頂及活塞開裂的故障現象。從活塞的材料結構、配缸間隙、活塞的冷卻、發動機運行工況等方面分析故障現象，使用FEA分析工具及發動機試驗等，通過加強活塞冷卻、優化油泵噴油量、控制油氣分離器工藝過程，有效解決活塞開裂問題。

活塞開裂；熱負荷；溫度場

Abstract:Failure phenomena of pistons appear in special geographical market, such as dissolving of the top and cracking.Those failure phenomena were analyzed from many directions, including the material structure of the piston, cylinder clearance ,cooling and the operating condition of the engine.Using analysis tools of FEA and engine experiments, through strengthening the piston cooling, optimizing the pump fuel injection quantity and controlling the process of the oil and gas separator, the failure was successfully solved.

Keywords:Piston cracking;Thermal load;Thermal field

0 引言

活塞組件是發動機中工作條件最嚴酷的零部件，發動機的工作可靠性與使用耐久性在很大程度上與活塞組的工作情況有關，活塞組件與氣缸一起保證發動機的密封，否則發動機就不能正常運轉。實踐證明：活塞組件的壽命決定發動機的壽命，在大功率強化發動機中，活塞組的熱負荷往往限制了發動機的強化潛力[1]。

柴油機活塞材料大多數為硅鋁合金，其結構復雜，且散熱條件極差，工作時承受高壓燃氣爆發壓力、高速往復運動產生的慣性力、側向壓力和摩擦力等周期性的機械負荷作用，同時承受高溫燃氣作用，活塞表面溫度分布不均勻，活塞會發生熱疲勞、機械疲勞，最終導致活塞熔頂和開裂[2]。

1 故障現象分析

1.1 故障描述

某款柴油發動機在南非等地發生多例活塞熔頂、開裂問題。

這種情況增加公司的售后服務成本，對品牌聲譽造成極壞的影響。

1.2 故障分析

(1)國內外使用環境對比。對南非路況及駕駛習慣進行調查，南非公路路況較好，行駛車速較快，市區行駛速度80～100 km/h，高速上150 km/h以上；同時，發動機啟動后直接起步，不進行預潤滑運轉，活塞在高溫下長期工作，在過高熱應力和機械應力作用下，材料易發生熱疲勞和機械疲勞，活塞易熔頂和開裂。

(2)對故障活塞確認。頂部發生大面積燒熔的活塞命名為1號(圖1(a))，頂部局部燒穿的活塞命名為2號(圖1(b))，可見：1號活塞頂部燒熔不均，嚴重燒熔區集中于一側，這表明燒熔過程中，活塞軸向可能受力不均，致使受力較小一側發生大面積燒熔；2號活塞頂部開裂部位平行于活塞銷孔方向，開裂起源于活塞燃燒室喉口部位。

對活塞硬度、金相組織(圖2)進行檢測，均正常。

(3)對噴油器進行測試，其功能正常，未發現噴油器卡滯、造成常噴油以及滴油現象。對活塞頭部積碳成份進行分析，確認為機油積碳。

(4)檢查增壓器，其進、排氣端葉輪渦輪葉片正常，轉動靈活，無卷邊、擦殼、磕碰等磨損。增壓器中間體和轉子軸之間配合間隙及潤滑情況良好，機油無法從增壓器出氣口進入燃燒室。

(5)對活塞冷卻噴油管焊合件進行通油試驗，確認未發現堵塞現象(給活塞內腔提供冷卻)。

對活塞內腔冷卻流量進行確認，內冷油腔活塞對噴嘴的要求比較高，要求活塞在下止點時冷卻油能夠全部噴入，活塞在上止點時大部分冷卻油(80%以上)噴入，噴油嘴的噴油量為5～7 L/(kW·h)，噴射速度大于活塞的最大瞬時速度，換算成L/(kW·min)計算冷卻噴嘴的最大、最小流量。

為驗證冷卻噴嘴流量，在實驗臺架上進行打靶試驗，主油道的供油壓力使用泵體模擬，噴嘴相對活塞位置由工裝實現，將噴油嘴固定在工裝下端，活塞在工裝內上下移動，在活塞出口處及工裝下端放置容器，收集機油，得到總噴油量，經過檢測冷卻噴嘴冷卻流量滿足冷卻需求。

(6)此問題主要集中在此款柴油發動機機型上，此機型是在同平臺柴油發動機機型上衍生而來，與同平臺發動機相比較，功率增加10 kW，扭矩增加75 N·m，發動機增加中冷器、油氣分離器，同平臺機型無此問題。對此機型發動機進行性能試驗，發現發動機實際功率較開發設計時功率大6 kW；

(7)為驗證功率增加對活塞熱負荷影響，對活塞進行FEA模擬分析。根據分析結果(圖3)，功率增加活塞熱負荷增大，安全系數降低為1.01[3]。

(8)重新標定發動機功率。優化設計量產發動機在額定工況的噴油量，確保其額定功率不再超出設計要求范圍。對重新標定ECU程序發動機進行活塞溫度場測試，在活塞上安裝23個溫度塞，在相同試驗條件下，ECU數據分別使用批產數據及更改后數據進行試驗，試驗中發動機先從低轉速、低負荷逐漸增加，達到要求測定工況后，穩定運行2 h，停機冷卻[4]，取出活塞各個測點的溫度塞，編號并逐一進行硬度值的測定，確定溫度變化情況。測試結果(圖4)顯示：數據優化后活塞頂部溫度較改進前降低了11 ℃，排溫降低了50 ℃，發動機熱負荷明顯降低。

在發動機額定功率大于設計值的情況下，進氣量無法增加，單純依靠增加燃油噴油量，發動機后燃嚴重，燃燒惡化，造成發動機熱負荷明顯增高，排溫升高。在發動機長期高速高負荷行駛的情況下，發動機活塞頂面溫度過高，超出活塞材料的熱疲勞極限，造成活塞開裂的極端市場故障。

2 解決活塞開裂的措施

通過重新標定發動機ECU數據，在滿足發動機動力性能的前提下，減少噴油量，使燃油燃燒更加充分，明顯減少活塞的熱負荷，避免活塞溫度過高造成開裂。

采取以上措施后的發動機銷售后，對其市場情況跟蹤，再無活塞開裂故障出現，這證明改進措施是可行的、有效的。

【1】 楊連生.內燃機設計[M].北京:機械工業出版社，1982.

【2】 蔣德明.高等內燃機原理[M].北京:機械工業出版社，2004.

【3】 輝門公司.活塞熱負荷分析報告[R],2013.

【4】 雷基林, 申立中,畢玉華,等.增壓中冷柴油機活塞溫度場試驗研究[J].內燃機工程，2007(5).

FailureAnalysisofPistonCrackingforDieselEngine

ZHANG Shuai, LI Xiaorong, SU Hui ,WANG Meng, LI Chengqian

(Great Wall Baoding Internal Combustion Engine Manufacturing Company Limited,Baoding Hebei 072650,China)

2014-07-15

張帥(1988—)，女，本科，助理工程師。E-mail：15933941926@163.com。